Selama 50 tahun terakhir, konsumsi listrik global terus meningkat, dengan perkiraan penggunaan sekitar 25.300 terawatt-jam pada tahun 2021. Dengan transisi menuju industri 4.0, terjadi peningkatan permintaan energi di seluruh dunia. Angka-angka ini meningkat setiap tahun, belum termasuk kebutuhan daya sektor industri dan sektor ekonomi lainnya. Pergeseran industri dan konsumsi daya yang tinggi ini dibarengi dengan dampak perubahan iklim yang lebih nyata akibat emisi gas rumah kaca yang berlebihan. Saat ini, sebagian besar pembangkit dan fasilitas pembangkit listrik sangat bergantung pada sumber bahan bakar fosil (minyak dan gas) untuk memenuhi permintaan tersebut. Kekhawatiran iklim ini menghalangi pembangkitan energi tambahan menggunakan metode konvensional. Dengan demikian, pengembangan sistem penyimpanan energi yang efisien dan andal menjadi semakin penting untuk memastikan pasokan energi terbarukan yang berkelanjutan dan andal.
Sektor energi telah merespons dengan beralih ke energi terbarukan atau solusi "hijau". Transisi ini dibantu oleh teknik manufaktur yang lebih baik, misalnya yang menghasilkan manufaktur bilah turbin angin yang lebih efisien. Selain itu, para peneliti telah berhasil meningkatkan efisiensi sel fotovoltaik, yang menghasilkan pembangkitan energi yang lebih baik per area penggunaan. Pada tahun 2021, pembangkitan listrik dari sumber fotovoltaik surya (PV) meningkat secara signifikan, mencapai rekor 179 TWh dan menunjukkan pertumbuhan sebesar 22% dibandingkan tahun 2020. Teknologi PV surya kini menyumbang 3,6% dari pembangkitan listrik global dan saat ini merupakan sumber energi terbarukan terbesar ketiga setelah tenaga air dan angin.
Namun, terobosan-terobosan ini tidak mengatasi beberapa kelemahan inheren sistem energi terbarukan, terutama ketersediaannya. Sebagian besar metode ini tidak menghasilkan energi sesuai permintaan seperti pembangkit listrik tenaga batu bara dan minyak. Output energi surya, misalnya, tersedia sepanjang hari dengan variasi tergantung pada sudut iradiasi matahari dan posisi panel PV. Sistem ini tidak dapat menghasilkan energi apa pun di malam hari, sementara output-nya berkurang secara signifikan selama musim dingin dan pada hari-hari yang sangat berawan. Tenaga angin juga mengalami fluktuasi yang bergantung pada kecepatan angin. Oleh karena itu, solusi ini perlu dipadukan dengan sistem penyimpanan energi untuk mempertahankan pasokan energi selama periode output rendah.
Apa itu sistem penyimpanan energi?
Sistem penyimpanan energi dapat menyimpan energi untuk digunakan di kemudian hari. Dalam beberapa kasus, akan terjadi konversi energi antara energi yang tersimpan dan energi yang disediakan. Contoh paling umum adalah baterai listrik seperti baterai lithium-ion atau baterai timbal-asam. Baterai ini menyediakan energi listrik melalui reaksi kimia antara elektroda dan elektrolit.
Baterai, atau BESS (sistem penyimpanan energi baterai), merupakan metode penyimpanan energi yang paling umum digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Sistem penyimpanan lain yang ada, seperti pembangkit listrik tenaga air, mengubah energi potensial air yang tersimpan di bendungan menjadi energi listrik. Air yang jatuh akan memutar roda gila turbin yang menghasilkan energi listrik. Contoh lain adalah gas terkompresi, yang ketika dilepaskan, gas tersebut akan memutar roda turbin dan menghasilkan listrik.
Yang membedakan baterai dari metode penyimpanan lainnya adalah potensi area operasinya. Dari perangkat kecil dan catu daya mobil hingga aplikasi rumah tangga dan pembangkit listrik tenaga surya skala besar, baterai dapat diintegrasikan dengan mulus ke aplikasi penyimpanan off-grid apa pun. Di sisi lain, metode tenaga air dan udara bertekanan membutuhkan infrastruktur penyimpanan yang sangat besar dan kompleks. Hal ini menyebabkan biaya yang sangat tinggi sehingga membutuhkan aplikasi yang sangat besar agar dapat dijustifikasi.
Kasus penggunaan untuk sistem penyimpanan di luar jaringan.
Sebagaimana telah disebutkan sebelumnya, sistem penyimpanan off-grid dapat memfasilitasi penggunaan dan ketergantungan pada metode energi terbarukan seperti tenaga surya dan angin. Meskipun demikian, terdapat aplikasi lain yang dapat sangat diuntungkan dari sistem tersebut.
Jaringan listrik perkotaan bertujuan untuk menyediakan jumlah daya yang tepat berdasarkan pasokan dan permintaan setiap kota. Daya yang dibutuhkan dapat berfluktuasi sepanjang hari. Sistem penyimpanan di luar jaringan telah digunakan untuk meredam fluktuasi dan memberikan stabilitas lebih saat permintaan puncak. Dari perspektif lain, sistem penyimpanan di luar jaringan dapat sangat bermanfaat untuk mengkompensasi gangguan teknis tak terduga pada jaringan listrik utama atau selama periode pemeliharaan terjadwal. Sistem ini dapat memenuhi kebutuhan daya tanpa harus mencari sumber energi alternatif. Contohnya, badai es di Texas pada awal Februari 2023 yang menyebabkan sekitar 262.000 orang kehilangan listrik, sementara perbaikan tertunda karena kondisi cuaca yang buruk.
Kendaraan listrik merupakan salah satu aplikasinya. Para peneliti telah berupaya keras untuk mengoptimalkan manufaktur baterai dan strategi pengisian/pengosongan daya guna memperpanjang umur dan kepadatan daya baterai. Baterai litium-ion telah menjadi yang terdepan dalam revolusi kecil ini dan telah digunakan secara luas di mobil listrik baru, serta bus listrik. Baterai yang lebih baik dalam hal ini dapat menghasilkan jarak tempuh yang lebih jauh, tetapi juga mengurangi waktu pengisian daya dengan teknologi yang tepat.
Kemajuan teknologi lainnya seperti UAV dan robot bergerak telah sangat diuntungkan oleh pengembangan baterai. Strategi gerak dan strategi kontrol mereka sangat bergantung pada kapasitas dan daya baterai yang disediakan.
Apa itu BESS?
BESS atau sistem penyimpanan energi baterai adalah sistem penyimpanan energi yang dapat digunakan untuk menyimpan energi. Energi ini dapat berasal dari jaringan listrik utama atau dari sumber energi terbarukan seperti energi angin dan energi surya. Sistem ini terdiri dari beberapa baterai yang disusun dalam berbagai konfigurasi (seri/paralel) dan ukurannya disesuaikan dengan kebutuhan. Baterai-baterai ini terhubung ke inverter yang digunakan untuk mengubah daya DC menjadi daya AC agar dapat digunakan. Sistem manajemen baterai (BMS) digunakan untuk memantau kondisi baterai dan proses pengisian/pengosongan daya.
Dibandingkan dengan sistem penyimpanan energi lainnya, sistem ini sangat fleksibel untuk ditempatkan/dihubungkan dan tidak memerlukan infrastruktur yang sangat mahal, tetapi masih memerlukan biaya yang cukup besar dan memerlukan pemeliharaan yang lebih teratur berdasarkan penggunaan.
Ukuran dan kebiasaan penggunaan BESS
Poin krusial yang perlu diperhatikan saat memasang sistem penyimpanan energi baterai adalah ukuran. Berapa banyak baterai yang dibutuhkan? Dalam konfigurasi apa? Dalam beberapa kasus, jenis baterai dapat memainkan peran krusial dalam jangka panjang dalam hal penghematan biaya dan efisiensi.
Hal ini dilakukan berdasarkan kasus per kasus karena aplikasinya dapat berkisar dari rumah tangga kecil hingga pabrik industri besar.
Sumber energi terbarukan yang paling umum untuk rumah tangga kecil, terutama di wilayah perkotaan, adalah tenaga surya yang menggunakan panel fotovoltaik. Insinyur umumnya akan mempertimbangkan konsumsi daya rata-rata rumah tangga dan menilai iradiasi matahari sepanjang tahun untuk lokasi tertentu. Jumlah baterai dan konfigurasi jaringannya dipilih agar sesuai dengan kebutuhan rumah tangga selama pasokan daya surya terendah sepanjang tahun, tanpa menguras baterai sepenuhnya. Hal ini dengan asumsi solusi memiliki kemandirian daya penuh dari jaringan utama.
Mempertahankan tingkat pengisian daya yang relatif moderat atau tidak mengosongkan baterai sepenuhnya mungkin terasa kontradiktif pada awalnya. Lagipula, untuk apa menggunakan sistem penyimpanan jika kita tidak dapat memaksimalkan potensinya? Secara teori, hal itu mungkin saja terjadi, tetapi mungkin bukan strategi yang memaksimalkan laba atas investasi.
Salah satu kelemahan utama BESS adalah biaya baterai yang relatif tinggi. Oleh karena itu, memilih kebiasaan penggunaan atau strategi pengisian/pengosongan daya yang memaksimalkan masa pakai baterai sangatlah penting. Misalnya, baterai timbal-asam tidak dapat dikosongkan di bawah 50% kapasitasnya tanpa mengalami kerusakan permanen. Baterai litium-ion memiliki kepadatan energi yang lebih tinggi dan siklus hidup yang panjang. Baterai ini juga dapat dikosongkan menggunakan rentang yang lebih besar, tetapi hal ini memerlukan biaya yang lebih tinggi. Terdapat variasi biaya yang tinggi antara berbagai jenis kimia, baterai timbal-asam dapat ratusan hingga ribuan dolar lebih murah daripada baterai litium-ion dengan ukuran yang sama. Inilah sebabnya mengapa baterai timbal-asam paling banyak digunakan dalam aplikasi tenaga surya di negara-negara dunia ketiga dan masyarakat miskin.
Performa baterai sangat dipengaruhi oleh degradasi selama masa pakainya; baterai tidak memiliki performa stabil yang berujung pada kegagalan mendadak. Sebaliknya, kapasitas dan daya yang tersedia dapat berkurang secara bertahap. Dalam praktiknya, masa pakai baterai dianggap habis ketika kapasitasnya mencapai 80% dari kapasitas aslinya. Dengan kata lain, terjadi penurunan kapasitas sebesar 20%. Dalam praktiknya, ini berarti jumlah energi yang dapat disediakan lebih rendah. Hal ini dapat memengaruhi periode penggunaan untuk sistem yang sepenuhnya independen dan jumlah jarak tempuh yang dapat ditempuh oleh EV.
Hal lain yang perlu dipertimbangkan adalah keamanan. Dengan kemajuan manufaktur dan teknologi, baterai modern umumnya lebih stabil secara kimiawi. Namun, karena degradasi dan riwayat penyalahgunaan, sel dapat mengalami thermal runaway yang dapat mengakibatkan bencana dan dalam beberapa kasus membahayakan nyawa konsumen.
Inilah sebabnya perusahaan telah mengembangkan perangkat lunak pemantauan baterai (BMS) yang lebih baik untuk mengendalikan penggunaan baterai tetapi juga memantau kondisi kesehatan untuk memberikan pemeliharaan tepat waktu dan menghindari konsekuensi yang lebih buruk.
Kesimpulan
Sistem penyimpanan energi jaringan memberikan peluang besar untuk mencapai kemandirian daya dari jaringan utama, sekaligus menyediakan sumber daya cadangan selama periode nonaktif dan beban puncak. Pengembangannya akan memfasilitasi peralihan ke sumber energi yang lebih ramah lingkungan, sehingga membatasi dampak pembangkitan energi terhadap perubahan iklim sekaligus memenuhi kebutuhan energi dengan pertumbuhan konsumsi yang konstan.
Sistem penyimpanan energi baterai adalah yang paling umum digunakan dan paling mudah dikonfigurasi untuk berbagai aplikasi sehari-hari. Fleksibilitasnya yang tinggi diimbangi dengan biaya yang relatif tinggi, sehingga mendorong pengembangan strategi pemantauan untuk memperpanjang masa pakainya semaksimal mungkin. Saat ini, industri dan akademisi sedang berupaya keras untuk menyelidiki dan memahami degradasi baterai dalam berbagai kondisi.
